電子科大薄膜物理(趙曉輝)第二章 蒸發(fā)

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容 真空蒸發(fā)原理真空蒸發(fā)原理 薄膜膜厚分布及純度薄膜膜厚分布及純度 蒸發(fā)裝置蒸發(fā)裝置 2PVD的特點(diǎn)的特點(diǎn)利用物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)從源到薄膜的轉(zhuǎn)移。利用物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)從源到薄膜的轉(zhuǎn)移。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 固態(tài)或熔融態(tài)作源物質(zhì)固態(tài)或熔融態(tài)作源物質(zhì) 經(jīng)過(guò)物理過(guò)程轉(zhuǎn)移經(jīng)過(guò)物理過(guò)程轉(zhuǎn)移 較高真空度較高真空度1. 沒有化學(xué)反應(yīng)沒有化學(xué)反應(yīng)34Evaporation電子束電子束蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)*52-1 Principle of Evaporation （1） 特點(diǎn)：成膜速度快特點(diǎn)：成膜速度快0.150m mm/min，設(shè)備比，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，容易操作；制得薄膜純度高；薄膜生長(zhǎng)較簡(jiǎn)單，容易操作；制

2、得薄膜純度高；薄膜生長(zhǎng)機(jī)理較簡(jiǎn)單機(jī)理較簡(jiǎn)單 （2）缺點(diǎn)：薄膜附著力較小，結(jié)晶不夠完善，工）缺點(diǎn)：薄膜附著力較小，結(jié)晶不夠完善，工藝重復(fù)性不夠好藝重復(fù)性不夠好 （3）結(jié)構(gòu)主要有：真空室；蒸發(fā)源；基板；基板）結(jié)構(gòu)主要有：真空室；蒸發(fā)源；基板；基板加熱器及溫度計(jì)加熱器及溫度計(jì) 一：真空蒸發(fā)的特點(diǎn)一：真空蒸發(fā)的特點(diǎn)6二、過(guò)程概述二、過(guò)程概述1. 加熱加熱Atoms to gas state 加熱原料加熱原料 Pvapor 10-4 torr 有的原料是固態(tài)升華，有的是液態(tài)蒸發(fā)有的原料是固態(tài)升華，有的是液態(tài)蒸發(fā) 化合物可能分解化合物可能分解 可能導(dǎo)致薄膜成分變化可能導(dǎo)致薄膜成分變化 SiO2 - SiO

3、2-x 合金蒸發(fā)時(shí)薄膜成分會(huì)變化合金蒸發(fā)時(shí)薄膜成分會(huì)變化 不同組分的蒸發(fā)速率不一樣不同組分的蒸發(fā)速率不一樣 可改變?cè)铣煞诌M(jìn)行調(diào)整可改變?cè)铣煞诌M(jìn)行調(diào)整 但合金成分會(huì)隨時(shí)間變化但合金成分會(huì)隨時(shí)間變化 72. 輸運(yùn)輸運(yùn)Transport to substrate 直線沉積直線沉積 避免氣體分子的碰撞避免氣體分子的碰撞 較長(zhǎng)的平均自由程較長(zhǎng)的平均自由程 良好的真空良好的真空 let h = source to substrate distance （靶基距）（靶基距）for h of 10 - 100 cm, want P lower P 殘余氣體無(wú)法避免殘余氣體無(wú)法避免!83. 沉積沉積Depo

4、sition onto substrateGas Atoms to Solidn 吸附吸附n 凝結(jié)凝結(jié)n 成核成核n 生長(zhǎng)生長(zhǎng)n 形成薄膜形成薄膜首先考慮薄膜的厚度和純度！首先考慮薄膜的厚度和純度！然后考慮結(jié)構(gòu)和性能。然后考慮結(jié)構(gòu)和性能。9三、飽和蒸汽壓三、飽和蒸汽壓Pvap定義：在一定溫度下，汽、固或汽、液兩相定義：在一定溫度下，汽、固或汽、液兩相 平衡時(shí)，氣體的壓力稱為該物質(zhì)的飽平衡時(shí)，氣體的壓力稱為該物質(zhì)的飽 和蒸汽壓。和蒸汽壓。 顯然是溫度的函數(shù)：顯然是溫度的函數(shù)： PvapF(T) 蒸發(fā)溫度：飽和蒸汽壓為蒸發(fā)溫度：飽和蒸汽壓為10-2 Torr時(shí)的溫度。時(shí)的溫度。10水蒸汽壓力隨溫度

5、的變化水蒸汽壓力隨溫度的變化T (O C)100250-40-78.5-196P (mbar)1013326.40.136.6 x 10 -410 -24(BOILING)(FREEZING)(DRY ICE)(LIQUID NITROGEN)11飽和蒸氣壓的理論推導(dǎo)飽和蒸氣壓的理論推導(dǎo) 克拉伯龍克拉伯龍-克勞修斯方程：克勞修斯方程：Pvap：飽和蒸氣壓；：飽和蒸氣壓；Hvap：蒸發(fā)熱或摩爾氣化熱。：蒸發(fā)熱或摩爾氣化熱。Vg、Vs/l：氣相和固相、液相的摩爾體積：氣相和固相、液相的摩爾體積顯然：顯然：VgVs，并且低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態(tài)，并且低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態(tài)方程方程

6、)(/lsgvapvapVVTHdTdPComes from phase equivalent, dG1=dG2, dG=-SdT+VdP,dP/dT=D DS/D DV,D DS=D DH/T12 Hv：視為常數(shù)，積分得：視為常數(shù)，積分得 2(ln)1dPvHv dTdPvHvPvRTRdTlnlnHvBPvCPvARTT（2-4）（2-5）13得到：得到： lnPv與與1/T近似為直線！近似為直線！ PvT的近似關(guān)系式，應(yīng)用范圍：蒸氣壓的近似關(guān)系式，應(yīng)用范圍：蒸氣壓小于小于1Torr。 由此可以合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸由此可以合理地選擇蒸發(fā)材料及確定蒸發(fā)條件。發(fā)條件。 1415四、蒸發(fā)速

7、率四、蒸發(fā)速率 Evaporation rate 相平衡時(shí)，氣相平衡時(shí)，氣液與液與液液氣分子數(shù)相等氣分子數(shù)相等 但并非所有氣相分子但并非所有氣相分子入射到液面時(shí)凝結(jié)入射到液面時(shí)凝結(jié) ae：蒸發(fā)系數(shù)：蒸發(fā)系數(shù) e2ea PvdNJeAdTmKT142PnVamKT 16 動(dòng)力學(xué)理論描述蒸發(fā)速率動(dòng)力學(xué)理論描述蒸發(fā)速率 where Pvap = vapor pressure (Torr) M = molecular weight cm2 = area of source 223.513 10vapevapPMTMolecules/cm2 sec17 可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量（可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量（mass

8、flux） at Pvap = 10-2 torr, mass flux = 10-4 grams/cm2 sec 25.834 10evapvapMPTg/cm2 sec18 由于由于lnPv與與1/T的近似正比關(guān)系，所以當(dāng)?shù)慕普汝P(guān)系，所以當(dāng)T有微小變動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)速率會(huì)有劇烈的變化！有微小變動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)速率會(huì)有劇烈的變化！對(duì)于金屬，溫度變化對(duì)于金屬，溫度變化1%，蒸發(fā)速率變化可達(dá)，蒸發(fā)速率變化可達(dá)20%必須精確控制蒸發(fā)溫度！必須精確控制蒸發(fā)溫度！19五、蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞頻率五、蒸發(fā)分子的平均自由程與碰撞頻率 1）Collision Probability 碰撞頻率碰撞頻率 在低真空

9、蒸鍍時(shí)，氣體分子入射到基片上，單在低真空蒸鍍時(shí)，氣體分子入射到基片上，單位時(shí)間、單位面積入射的氣體分子數(shù)。位時(shí)間、單位面積入射的氣體分子數(shù)。則在則在25時(shí)，一般殘余氣體的時(shí)，一般殘余氣體的Ng大約為大約為1015個(gè)個(gè)/cm2S（10-5 Torr），薄膜的沉積速率一般為），薄膜的沉積速率一般為幾個(gè)埃幾個(gè)埃/秒秒.223.51 102gPPNmKTMT20 殘余氣體與蒸發(fā)物分子按比例殘余氣體與蒸發(fā)物分子按比例1：1到達(dá)基板表到達(dá)基板表面。所以要求蒸鍍的真空度為面。所以要求蒸鍍的真空度為10-6Torr 2）Mean free path 則殘余氣體壓強(qiáng)為則殘余氣體壓強(qiáng)為10-2帕?xí)r，帕?xí)r，=50c

10、m。 與真空室尺寸一致，蒸發(fā)分子在輸送過(guò)程中幾與真空室尺寸一致，蒸發(fā)分子在輸送過(guò)程中幾乎不發(fā)生碰撞乎不發(fā)生碰撞 1822213.107 10()22KTTpdn dPd帕21 大氣的殘余物（大氣的殘余物（O2、N2、CO2、H2O），擴(kuò)），擴(kuò)散泵油蒸氣，真空室吸氣，當(dāng)散泵油蒸氣，真空室吸氣，當(dāng)P10-4Pa時(shí)，時(shí)，主要為真空室吸氣。主要為真空室吸氣。 水汽易與金屬膜反應(yīng)，或與水汽易與金屬膜反應(yīng)，或與W，Mo等加熱器等加熱器材料反應(yīng)。材料反應(yīng)。 在設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)中在設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)中 ，擴(kuò)散油蒸氣不明顯。，擴(kuò)散油蒸氣不明顯。六、殘余氣體的組成及其影響六、殘余氣體的組成及其影響22) sec (at

11、oms 105 . 3 1222cmTMPbbb殘余氣體殘余氣體12sec atoms cmMdNaAS蒸發(fā)源蒸發(fā)源薄膜純度薄膜純度薄膜雜質(zhì)濃度薄膜雜質(zhì)濃度rate deposition : ddMTMPCabbi23一般情況下蒸發(fā)比濺射獲得的薄膜純度更高：一般情況下蒸發(fā)比濺射獲得的薄膜純度更高：bhigher and lower Pd近來(lái)磁控濺射得到了極大的改善，濺射和蒸發(fā)鋁時(shí)已經(jīng)可以近來(lái)磁控濺射得到了極大的改善，濺射和蒸發(fā)鋁時(shí)已經(jīng)可以獲得相似的結(jié)果。獲得相似的結(jié)果。24蒸發(fā)粒子蒸發(fā)粒子 粒子具有和蒸發(fā)溫度相近似的能量粒子具有和蒸發(fā)溫度相近似的能量 1000oC is about 0.2 e

12、V 蒸發(fā)物質(zhì)的分布取決于源的形狀蒸發(fā)物質(zhì)的分布取決于源的形狀25影響膜厚分布的因素：影響膜厚分布的因素：A）蒸發(fā)源的特性；）蒸發(fā)源的特性；B）基板與蒸發(fā)源的幾何形狀，相對(duì)位置）基板與蒸發(fā)源的幾何形狀，相對(duì)位置C）蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量。）蒸發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)量。假設(shè)：假設(shè)：1）蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；）蒸發(fā)原子或分子與殘余氣體分子之間不發(fā)生碰撞；2）在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子間也不發(fā)生碰撞；）在蒸發(fā)源附近的蒸發(fā)原子間也不發(fā)生碰撞；3）蒸發(fā)原子到達(dá)基板上后不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象）蒸發(fā)原子到達(dá)基板上后不發(fā)生再蒸發(fā)現(xiàn)象。 2-2 Evaporation Character & Thicknes

13、s distribution26一、點(diǎn)蒸發(fā)源一、點(diǎn)蒸發(fā)源 27dMdme4xh向各個(gè)方向等量發(fā)射向各個(gè)方向等量發(fā)射28設(shè)薄膜密度為設(shè)薄膜密度為 ，單位時(shí)間在，單位時(shí)間在dS2上的淀積厚上的淀積厚度為度為t。 則則dms= dS2 .t 在在=0處，膜厚最大處，膜厚最大 323222cos*444mm hmhthx024mtr29點(diǎn)蒸發(fā)源沉積薄膜厚度分布點(diǎn)蒸發(fā)源沉積薄膜厚度分布0.00.51.01.52.02.53.00.00.20.40.60.81.0 t/t0 x/h30二、二、小小平面蒸發(fā)源平面蒸發(fā)源 31從動(dòng)從動(dòng)力力學(xué)學(xué)理理論論和和實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)得到得到 lawondistributicosi

14、ne coscos2rMAdMdessMore realisticallyMore realistically： coscosn n evaporation lawevaporation law )0(2coscos) 1(2nrnMdAsMdnes- n n與蒸發(fā)舟的形狀和熔融物深度和表面積比值有關(guān)。與蒸發(fā)舟的形狀和熔融物深度和表面積比值有關(guān)。- 當(dāng)當(dāng)n n比較大時(shí)，蒸發(fā)流具有高度的方向性。比較大時(shí)，蒸發(fā)流具有高度的方向性。32蒸發(fā)發(fā)射物質(zhì)服從余弦定律蒸發(fā)發(fā)射物質(zhì)服從余弦定律33對(duì)于小平面源，有對(duì)于小平面源，有 22222222)(11)(coscoshlddlhhMrhrhrMrMdoee

15、e34不同沉積方法的羽輝形狀不同沉積方法的羽輝形狀35特性：特性： 在在角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量與角方向蒸發(fā)的材料質(zhì)量與cos成正比成正比（余弦分布定律）（余弦分布定律） 點(diǎn)源與小平面蒸發(fā)源相比，厚度的均勻性點(diǎn)源與小平面蒸發(fā)源相比，厚度的均勻性要好一些要好一些 但沉積速率要低得多但沉積速率要低得多 36課堂練習(xí)課堂練習(xí) 請(qǐng)估計(jì)采用點(diǎn)蒸發(fā)源蒸發(fā)請(qǐng)估計(jì)采用點(diǎn)蒸發(fā)源蒸發(fā)1g金，在離蒸發(fā)金，在離蒸發(fā)源源10cm的基片中心金膜的厚度和離基片中的基片中心金膜的厚度和離基片中心心2.5cm處的厚度。處的厚度。 如果采用小平面源呢？如果采用小平面源呢？37如何獲得更好的均勻性如何獲得更好的均勻性 縮小樣品尺寸縮小

16、樣品尺寸 (l) 增加靶基距增加靶基距 (h) 更大的腔體更大的腔體 更高的真空度更高的真空度 更多的浪費(fèi)更多的浪費(fèi) 采用多個(gè)源采用多個(gè)源 沉積過(guò)程中移動(dòng)襯底沉積過(guò)程中移動(dòng)襯底3822 4 cos cos oeeSSrMrMdAMd實(shí)現(xiàn)厚度均勻性的小訣竅實(shí)現(xiàn)厚度均勻性的小訣竅- 源與襯底的表面位于球面上源與襯底的表面位于球面上39三、細(xì)長(zhǎng)平面蒸發(fā)源三、細(xì)長(zhǎng)平面蒸發(fā)源 相當(dāng)于熱絲，由許多小平面蒸發(fā)源構(gòu)成相當(dāng)于熱絲，由許多小平面蒸發(fā)源構(gòu)成蒸發(fā)源蒸發(fā)源ds上的蒸發(fā)物質(zhì)量為上的蒸發(fā)物質(zhì)量為dm s可視為小平面蒸發(fā)源，則基板小元面積可視為小平面蒸發(fā)源，則基板小元面積d上的膜厚為上的膜厚為 mdmdsl2

17、222coscosdmmdtdsl 40四、環(huán)狀平面蒸發(fā)源四、環(huán)狀平面蒸發(fā)源 蒸發(fā)特性蒸發(fā)特性 dm相當(dāng)于小平面源相當(dāng)于小平面源 2mdmd224242h dmmhdtd 41實(shí)際蒸發(fā)源的發(fā)射特點(diǎn)實(shí)際蒸發(fā)源的發(fā)射特點(diǎn) 1）點(diǎn)源：電子束蒸發(fā)源、電弧蒸發(fā)源）點(diǎn)源：電子束蒸發(fā)源、電弧蒸發(fā)源 2）小平面蒸發(fā)源：蒸發(fā)舟，克努曾槽）小平面蒸發(fā)源：蒸發(fā)舟，克努曾槽（2r） 3）柱狀蒸發(fā)源：螺旋絲狀蒸發(fā)源坩堝可視）柱狀蒸發(fā)源：螺旋絲狀蒸發(fā)源坩堝可視為高度定向源為高度定向源 4）磁控靶源：可視為大面積（平面或柱面）磁控靶源：可視為大面積（平面或柱面）蒸發(fā)源。蒸發(fā)源。 42蒸發(fā)源與基板的相對(duì)位置配置蒸發(fā)源與基板的

18、相對(duì)位置配置 點(diǎn)源與基板相對(duì)位置的配置點(diǎn)源與基板相對(duì)位置的配置 小平面源與基板的相對(duì)位置配置小平面源與基板的相對(duì)位置配置 小面積基板時(shí)蒸發(fā)源的位置配置小面積基板時(shí)蒸發(fā)源的位置配置 大面積基板和蒸發(fā)源的配置大面積基板和蒸發(fā)源的配置 43陰影效應(yīng)陰影效應(yīng) 導(dǎo)致器件失效的主要原因?qū)е缕骷У闹饕?4陰影效應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬陰影效應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬45Evaporation of Material to Deposit MEMS Thin FilmsSubstratee- beam gunThermallyEvaporatedMetalDepositedMetal FilmWater-cooledCru

19、ciblee- beamMetalTo vacuum pumpWhat is the limitation to evaporation?46e- beam gunIon sourceIon beamEvaporant fluxSubstrateFilmIon beam energy spectraJ+(E+)離子束可以控制蒸鍍薄膜的性質(zhì)離子束可以控制蒸鍍薄膜的性質(zhì)472-3 蒸發(fā)方法蒸發(fā)方法最常用的加熱方式：最常用的加熱方式： 電阻法電阻法 電子束電子束 高頻感應(yīng)高頻感應(yīng) 48電阻蒸發(fā)電阻蒸發(fā)蒸發(fā)源材料的要求蒸發(fā)源材料的要求-W, Mo1）熔點(diǎn)要高；）熔點(diǎn)要高；2）飽和蒸氣壓低，減少蒸發(fā)源材

20、料蒸氣的）飽和蒸氣壓低，減少蒸發(fā)源材料蒸氣的污染；污染；3）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；4）耐熱性好，熱源變化時(shí)，功率密度變化）耐熱性好，熱源變化時(shí)，功率密度變化較?。惠^??；5）經(jīng)濟(jì)耐用。）經(jīng)濟(jì)耐用。 49 鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性鍍料與蒸發(fā)源的浸潤(rùn)性 鍍料熔化后，鍍料熔化后，沿蒸發(fā)源上擴(kuò)展的傾向沿蒸發(fā)源上擴(kuò)展的傾向 浸潤(rùn)浸潤(rùn)面蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。面蒸發(fā)源，蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。反之，反之，不浸潤(rùn)不浸潤(rùn)點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫點(diǎn)蒸發(fā)源，若用絲式蒸發(fā)源時(shí)鍍料易脫落。落。50蒸發(fā)源的性質(zhì)蒸發(fā)源的性質(zhì) 各種電阻蒸發(fā)源的形狀各種電阻蒸發(fā)源的形狀 1）絲式）絲式 2）蒸發(fā)舟）蒸發(fā)舟 3）坩堝）坩堝 5

21、15253電阻蒸發(fā)的缺點(diǎn)電阻蒸發(fā)的缺點(diǎn)不能蒸發(fā)某些難熔金屬；不能蒸發(fā)某些難熔金屬；也不能制備高純度薄膜。也不能制備高純度薄膜。電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 定義：將鍍料放入水定義：將鍍料放入水冷銅坩堝中，利用高冷銅坩堝中，利用高能電子束轟擊鍍料，能電子束轟擊鍍料，使其受熱蒸發(fā)。使其受熱蒸發(fā)。 54 A）環(huán)形槍）環(huán)形槍 環(huán)狀陰極發(fā)射電子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率、效率都不高，環(huán)狀陰極發(fā)射電子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率、效率都不高，多用于實(shí)驗(yàn)工作。多用于實(shí)驗(yàn)工作。 B）直槍）直槍 軸對(duì)稱的直線加速電子槍，陰極發(fā)射電子，陽(yáng)極加軸對(duì)稱的直線加速電子槍，陰極發(fā)射電子，陽(yáng)極加速，缺點(diǎn)是體積大，成本高，蒸鍍材料會(huì)污染槍體，速，缺點(diǎn)是體

22、積大，成本高，蒸鍍材料會(huì)污染槍體，燈絲逸出的燈絲逸出的Na+離子污染膜層。離子污染膜層。 55蒸發(fā)蒸發(fā)槍結(jié)構(gòu)槍結(jié)構(gòu)C）e型槍型槍1）電子束偏轉(zhuǎn)電子束偏轉(zhuǎn)270度，避免了正離子對(duì)膜的影響。度，避免了正離子對(duì)膜的影響。2）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。）吸收極使二次電子對(duì)基板的轟擊減少。3）防止極間放電，又避免了燈絲污染。）防止極間放電，又避免了燈絲污染。4）可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變電子束的轟擊位置。）可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變電子束的轟擊位置。5657電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)58電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 電子束加熱熔融坩堝中的金屬，產(chǎn)生金屬蒸汽等電子束加熱熔融坩堝中的金屬，產(chǎn)生金屬蒸汽等離子體；離子體； 蒸汽中的

23、離子在低壓下反應(yīng)生成涂層；蒸汽中的離子在低壓下反應(yīng)生成涂層； 施加正偏壓時(shí)，電子束可以用來(lái)加熱基板；施加正偏壓時(shí)，電子束可以用來(lái)加熱基板； 加負(fù)偏壓時(shí)，電子束可以使氬氣電離，增強(qiáng)對(duì)基加負(fù)偏壓時(shí)，電子束可以使氬氣電離，增強(qiáng)對(duì)基板的濺射刻蝕；板的濺射刻蝕；59電子束蒸發(fā)特點(diǎn)電子束蒸發(fā)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：基板性能得到提高；基板性能得到提高；涂層致密無(wú)缺陷；涂層致密無(wú)缺陷；涂層光亮，富有藝術(shù)性。涂層光亮，富有藝術(shù)性。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：由于原材料熔融蒸發(fā)，因此源的位置只能在系統(tǒng)由于原材料熔融蒸發(fā)，因此源的位置只能在系統(tǒng)的底部。的底部。60電子束蒸發(fā)特點(diǎn)電子束蒸發(fā)特點(diǎn) 為提高涂層的覆蓋和厚度均勻性，設(shè)置較為復(fù)雜

24、；為提高涂層的覆蓋和厚度均勻性，設(shè)置較為復(fù)雜； 由于金屬蒸汽的低電離度，需要額外工藝改善附著力；由于金屬蒸汽的低電離度，需要額外工藝改善附著力； 涂層厚度和沉積時(shí)間受坩堝體積限制；涂層厚度和沉積時(shí)間受坩堝體積限制； 涂層易受熔融材料的飛濺，影響表面特性；涂層易受熔融材料的飛濺，影響表面特性；61高頻感應(yīng)蒸發(fā)高頻感應(yīng)蒸發(fā) 原理：將鍍料放在坩堝中，坩堝放在高頻原理：將鍍料放在坩堝中，坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使鍍料在高頻電磁場(chǎng)的螺旋線圈的中央，使鍍料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失（對(duì)鐵磁感應(yīng)下產(chǎn)生渦流損失和磁滯損失（對(duì)鐵磁體）而升溫蒸發(fā)。體）而升溫蒸發(fā)。 6263特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）蒸發(fā)

25、速率大，可比電阻蒸發(fā)源大）蒸發(fā)速率大，可比電阻蒸發(fā)源大10倍左右。倍左右。2）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。）蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。3）鍍料是金屬時(shí)可自身產(chǎn)生熱量，坩鍋可選用）鍍料是金屬時(shí)可自身產(chǎn)生熱量，坩鍋可選用與蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料。與蒸發(fā)材料反應(yīng)最小的材料。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則會(huì)對(duì)廣播通訊產(chǎn)生）蒸發(fā)裝置必須屏蔽，否則會(huì)對(duì)廣播通訊產(chǎn)生影響。影響。2）線圈附近壓強(qiáng)超過(guò)）線圈附近壓強(qiáng)超過(guò)10-2Pa時(shí)，高頻電場(chǎng)會(huì)使時(shí)，高頻電場(chǎng)會(huì)使殘余氣體電離。殘余氣體電離。3）高頻發(fā)生器昂貴。）高頻發(fā)生器昂貴。64瞬時(shí)蒸發(fā)法瞬時(shí)蒸發(fā)法 又稱又稱“閃蒸法閃蒸法”，

26、將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常，將細(xì)小的合金顆粒，逐次送到非常熾熱的蒸發(fā)器中，使顆粒在瞬間完全蒸發(fā)。常用熾熱的蒸發(fā)器中，使顆粒在瞬間完全蒸發(fā)。常用于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場(chǎng)合。于合金中元素的蒸發(fā)速率相差很大的場(chǎng)合。 關(guān)鍵是選取粉末料的粒度，蒸發(fā)溫度和進(jìn)料的速率。關(guān)鍵是選取粉末料的粒度，蒸發(fā)溫度和進(jìn)料的速率。鎢絲錐形筐是作蒸發(fā)源的最好結(jié)構(gòu)，若用蒸發(fā)舟鎢絲錐形筐是作蒸發(fā)源的最好結(jié)構(gòu)，若用蒸發(fā)舟或坩堝，未蒸發(fā)的粉末會(huì)殘余下來(lái)成為普通蒸發(fā)?；蜊釄?，未蒸發(fā)的粉末會(huì)殘余下來(lái)成為普通蒸發(fā)。 65有些化合物飽和蒸氣壓低，難于用電阻蒸發(fā)法。有些化合物飽和蒸氣壓低，難于用電阻蒸發(fā)法。原因：原因：A）化合物

27、的熔點(diǎn)較高，電阻加熱溫度不夠。）化合物的熔點(diǎn)較高，電阻加熱溫度不夠。B）許多化合物在高溫下會(huì)分解，如）許多化合物在高溫下會(huì)分解，如Al2O3，TiO2等會(huì)失氧。等會(huì)失氧。原理：將活性氣體導(dǎo)入真空室，使之與被蒸發(fā)的原理：將活性氣體導(dǎo)入真空室，使之與被蒸發(fā)的金屬原子，低價(jià)化合物分子在基板表面反應(yīng)，金屬原子，低價(jià)化合物分子在基板表面反應(yīng)，形成所需化合物薄膜。形成所需化合物薄膜。適用：高熔點(diǎn)化合物薄膜，易分解的化合物薄膜，適用：高熔點(diǎn)化合物薄膜，易分解的化合物薄膜，如過(guò)渡金屬與易解吸的如過(guò)渡金屬與易解吸的O2，N2組成的化合物。組成的化合物。反應(yīng)蒸發(fā)法反應(yīng)蒸發(fā)法66雙源或多源蒸發(fā)法雙源或多源蒸發(fā)法 將

28、合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)將合金的每一成分，分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，以控制薄膜的組成。速率，以控制薄膜的組成。為了使膜厚均勻，通常需要旋轉(zhuǎn)。為了使膜厚均勻，通常需要旋轉(zhuǎn)。 實(shí)質(zhì)上是雙源蒸發(fā)法，分別控制兩個(gè)蒸發(fā)實(shí)質(zhì)上是雙源蒸發(fā)法，分別控制兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度及基板溫度。源的溫度及基板溫度。三溫度法三溫度法67A）外延：是在適當(dāng)?shù)膯尉Щ?，沿基板）外延：是在適當(dāng)?shù)膯尉Щ希鼗寰лS的方向生長(zhǎng)一層單晶薄膜的方法。晶軸的方向生長(zhǎng)一層單晶薄膜的方法。要求晶格匹配，對(duì)稱性一致。要求晶格匹配，對(duì)稱性一致。 過(guò)去一般認(rèn)為過(guò)去一般認(rèn)為

29、m7%時(shí)，可獲得超晶格。時(shí)，可獲得超晶格。但最近發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜非常薄時(shí)，晶格富于但最近發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜非常薄時(shí)，晶格富于彈性，也可獲得超晶格彈性，也可獲得超晶格m=15%。應(yīng)變超。應(yīng)變超晶格。晶格。同質(zhì)外延，異質(zhì)外延同質(zhì)外延，異質(zhì)外延分子束外延（分子束外延（MBE）68B）分子束外延的定義：）分子束外延的定義： 在超高真空下（在超高真空下（10-910-11Torr），將），將薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到襯薄膜諸組分元素的分子束流，直接噴到襯底表面，從而在其上形成外延薄膜。底表面，從而在其上形成外延薄膜。69C）分子束外延的特點(diǎn)）分子束外延的特點(diǎn)1 1）能夠嚴(yán)格控制生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)速率）能夠嚴(yán)格控制

30、生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)速率2 2）是超高真空的物理沉積過(guò)程，不需考慮輸送過(guò)程及）是超高真空的物理沉積過(guò)程，不需考慮輸送過(guò)程及中間的反應(yīng)，可用快門對(duì)生長(zhǎng)和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制中間的反應(yīng)，可用快門對(duì)生長(zhǎng)和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制3 3）MBEMBE是個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可生長(zhǎng)在普通熱平衡下難以生是個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可生長(zhǎng)在普通熱平衡下難以生長(zhǎng)的薄膜長(zhǎng)的薄膜4 4）MBEMBE襯底溫度低，降低了熱膨脹引入晶格失配和襯底襯底溫度低，降低了熱膨脹引入晶格失配和襯底材料對(duì)外延層的自摻雜擴(kuò)散影響材料對(duì)外延層的自摻雜擴(kuò)散影響5 5）生長(zhǎng)速率低，）生長(zhǎng)速率低，1 1個(gè)原子層個(gè)原子層/1/1秒，有利于精確控制膜厚，秒，有利于精確控制膜厚，結(jié)構(gòu)

31、，成分，特別適用于生長(zhǎng)超晶格材料結(jié)構(gòu)，成分，特別適用于生長(zhǎng)超晶格材料6 6）裝有多種表面分析儀器，有利于科學(xué)研究）裝有多種表面分析儀器，有利于科學(xué)研究701電弧蒸發(fā)法電弧蒸發(fā)法 在高真空下，將鍍料做成兩個(gè)棒狀電極，在高真空下，將鍍料做成兩個(gè)棒狀電極，通電使其發(fā)生電弧放電，使接觸部分達(dá)到高溫通電使其發(fā)生電弧放電，使接觸部分達(dá)到高溫的蒸發(fā)的蒸發(fā) 特點(diǎn)：可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，克服了電阻加熱可特點(diǎn)：可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，克服了電阻加熱可能存在的污染及反應(yīng)，又比電子束蒸發(fā)便宜。能存在的污染及反應(yīng)，又比電子束蒸發(fā)便宜。 不足：適用于導(dǎo)電材料，蒸發(fā)速率難以控制，不足：適用于導(dǎo)電材料，蒸發(fā)速率難以控制，放電時(shí)飛濺的電

32、極材料微粒會(huì)對(duì)膜層有影響。放電時(shí)飛濺的電極材料微粒會(huì)對(duì)膜層有影響。其他蒸發(fā)方法其他蒸發(fā)方法712熱壁法熱壁法 1 1）蒸發(fā)在石英管中進(jìn)行，通常石英管溫）蒸發(fā)在石英管中進(jìn)行，通常石英管溫度比基片高，使蒸發(fā)原子、分子通過(guò)石度比基片高，使蒸發(fā)原子、分子通過(guò)石英管被導(dǎo)向基板，生成薄膜。英管被導(dǎo)向基板，生成薄膜。 2 2）是個(gè)熱平衡過(guò)程，可制備外延薄膜，）是個(gè)熱平衡過(guò)程，可制備外延薄膜，但可控性、重復(fù)性差。但可控性、重復(fù)性差。 723激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法 利用高能激光作為熱源來(lái)蒸鍍薄膜的方法。利用高能激光作為熱源來(lái)蒸鍍薄膜的方法。 激光有：激光有：CO2，紅寶石，釹玻璃，紅寶石，釹玻璃，Ar激光器。激光

33、器。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）加熱溫度高，可蒸發(fā)任何材料，蒸發(fā)速率也極高。）加熱溫度高，可蒸發(fā)任何材料，蒸發(fā)速率也極高。2 2）采用非接觸式加熱，避免了蒸發(fā)源的污染，非常適宜于）采用非接觸式加熱，避免了蒸發(fā)源的污染，非常適宜于制備高純薄膜。制備高純薄膜。3 3）可使用脈沖激光器進(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于控制化學(xué)成分）可使用脈沖激光器進(jìn)行閃爍蒸發(fā)，有利于控制化學(xué)成分和防止分解；氣化時(shí)間短，不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。和防止分解；氣化時(shí)間短，不易出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）激光器昂貴，特別是大功率連續(xù)激光器；）激光器昂貴，特別是大功率連續(xù)激光器；2 2）蒸發(fā)溫度太高，蒸發(fā)粒子易離化，對(duì)薄膜性能有影響。）蒸發(fā)溫度太高，蒸發(fā)粒子易離化，對(duì)薄膜性能有影響。3 3）膜厚控制難，且容易引起蒸發(fā)材料過(guò)熱分解和噴濺。）膜厚控制難，且容易引起蒸發(fā)材料過(guò)熱分解和噴濺。73金屬：作為原子（或原子團(tuán)簇）蒸發(fā)金屬：作為原子（或原子團(tuán)簇）蒸發(fā)化合物：絕大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物以分子形式蒸發(fā)化合物：絕大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物以分子形式蒸發(fā)薄膜的化學(xué)成分與源材料存在一定的差異薄膜的化學(xué)成分與